TEKNİK DOKÜMANLAR

Askeri ve Sivil Projelerde DC-DC Çevirici Devrelerinde Ripple ve Gürültü Azaltma Teknikleri

1. İNDEKS

İNDEKS
KISACA
GİRİŞ
DC-DC MODÜL DÖNÜŞTÜRÜCÜLERDE RIPPLE FİLTRELEME
DALGALANMA (RIPPLE) AZALTMA TEKNİKLERİ
DİĞER YÖNTEMLER
SONUÇ

"Askeri ve Sivil Projelerde DC-DC Çevirici Devrelerinde Ripple ve Gürültü Ölçüm Teknikleri" isimli yazımıza bu linke tıklayarak ulaşabilirsiniz...

2. KISACA

Anahtarlamalı güç kaynakları (SMPS), yüksek verimlilikleri sayesinde modern sunucu/telekom/ağ sistemlerinin omurgası hâline geldi; ama bunun “doğal yan ürünü” olarak çıkışta dalgalanma (ripple) ve geniş bant gürültü üretirler. Bu parazit, çıkış terminallerinde ölçülür ve doğrudan yük tarafından “görülür”. Üstelik güncel kartlarda birden fazla regülatör aynı güç dağıtım ağını paylaştığı için, dar toleranslı hatlarda (çoğu zaman <%1) küçük bir gürültü bile güç bütünlüğünü bozup hassas devrelerin hatalı çalışmasına neden olabilir.

Bu yüzden ripple/gürültü yalnızca “var mı yok mu” diye bakılan bir detay değil, tasarımın doğrulanması gereken kritik bir gereksinimidir. Üreticiler veri sayfalarında maksimum ripple değerleri verir; fakat bu değerin hangi bant genişliğinde, hangi prob/bağlantı tekniğiyle ve hangi test koşullarında ölçüldüğü sonuçları dramatik biçimde değiştirir. Dolayısıyla önce ölçüm yöntemini doğru tanımlamak, sonra da hedeflenen seviyeye inmek için uygulanacak azaltma tekniklerini seçmek gerekir.

Bu makalede amaç; ripple’ın kaynaklarını kısaca çerçeveleyip, pratik ve maliyet-etkin ripple azaltma tekniklerini sistematik biçimde ele almaktır.

Bu makalede; doğru çıkış kapasitör seçimi ve yerleşiminden (ESR/ESL etkileri), LC/π filtreleme ve sönümleme yaklaşımlarına; döngü (control loop) optimizasyonundan snubber/anahtarlama kenarı yönetimine; topraklama, akım döngüsü alanı küçültme ve ekranlama gibi EMI temelli iyileştirmelere kadar ele alınmaya çalışılacaktır.

Sonuç olarak, doğru ölçüm + doğru teknik kombinasyonu ile ripple/gürültü seviyeleri önemli ölçüde düşürülebilir ve dar toleranslı güç hatlarında güvenilir çalışma sağlanabilir.

3. GİRİŞ

Bir DC-DC güç dönüştürücünün çıkışındaki “rahatsız edici şeyler” tek bir şemsiye altında toplanmaz; pratikte iki ayrı bileşen vardır:

Ripple
Geniş bant gürültü.

Ripple, çoğunlukla anahtarlama frekansı ve harmonikleri etrafında oluşan, daha “düzenli” periyodik dalgalanmadır.

Gürültü ise anahtarlama kenarları, parazitik endüktans/kapasitanslar, diyot toparlanması (reverse recovery) ve yerleşim kaynaklı akım döngülerinin tetiklediği daha “dağınık” yüksek frekans içeriktir.

Bu iki bileşenin ne olduğunu doğru ayırmak ve doğru yöntemle ölçmek, bir güç kaynağının sisteme entegre edildiğinde gerçek hayatta nasıl davranacağını öngörmenin temelidir.

Modern elektronik sistemlerde çok sayıda regülatör aynı kart üzerinde birlikte çalışır ve bazı güç hatları çok dar toleranslarla yönetilir. Bu yüzden dalgalanma seviyesi uygulamaya göre kritik biçimde değişir: analog/ses gibi hassas alanlarda birkaç milivolt bile istenmezken, tüketici elektroniği tarafında (ör. batarya beslemeli cihazlar) daha yüksek ripple seviyeleri çoğu zaman sistem tarafından tolere edilebilir. Ne var ki dönüştürücünün topolojisi, yük profili, pasif bileşenlerin ESR/ESL karakteri ve PCB alanı gibi pratik kısıtlar tasarımcının manevra alanını daraltır; üstelik her zaman “en iyi” regülatörle başlamak da mümkün olmayabilir (kısa takvim, onaylı tedarikçi listesi, şirket içi kaynak eksikliği vb.). Bu durumda hazır, yüksek verimli bir DC-DC dönüştürücüyü alıp hedefi tutturmak için ripple azaltma tekniklerini doğru seçmek şart olur.

Bu makale; ripple ve gürültünün kaynaklarını netleştirip, ölçümde yapılan yaygın hataları ele aldıktan sonra, kapasitör seçimi/yerleşimi, LC/π filtreleme ve sönümleme, loop optimizasyonu, snubber ve anahtarlama kenarı (rising/falling edge) yönetimi, topraklama–akım döngüsü alanı küçültme gibi yöntemlerle çıkış dalgalanmasının nasıl azaltılacağını pratik bir çerçevede sunacaktır.

4. DC-DC MODÜL DÖNÜŞTÜRÜCÜLERDE RIPPLE FİLTRELEME

DC-DC dönüştürücüler çoğu zaman “hazır çözüm” gibi algılansa da, gerçekte güç sisteminin sadece bir bileşenidir.

Piyasadaki yüksek yoğunluklu SMPS modüllerin büyük kısmı verimlilik ve güç yoğunluğu odağında optimize edilir; bu da doğal olarak düşük ripple/gürültü ve çok hızlı geçici tepki gibi hedeflerle her zaman aynı anda zirveye çıkamayacakları anlamına gelir.

Özellikle hassas analog katlar, yüksek hızlı dijital yükler, RF devreleri veya dar toleranslı besleme hatları söz konusu olduğunda, modülün “datasheet’te iyi görünen” değerleri sahada yeterli olmayabilir.

Üstelik DC-DC modül genellikle yük geçişlerinde iyi bir “akım motoru” gibi davranır ama dahili enerji depolaması sınırlıdır. Yani yük bir anda akım istediğinde ya da anahtarlama kaynaklı parazit çıktıya bindiğinde, sistemi ayakta tutan şey çoğu zaman modülün içi değil; harici kapasitörler, filtreler, yerleşim, sönümleme ve EMI disiplinidir.

Bu nedenle; ripple azaltma teknikleri “opsiyonel ince ayar” değil, modül alan ya da kendi dönüştürücüsünü tasarlayan herkes için sistemi hedef speklere oturtmanın zorunlu mühendislik setidir.

Bu makalede ele alınacak ripple azaltma teknikleri (doğru çıkış kapasitörü seçimi/yerleşimi, LC/π/T filtreleme, sönümleme, snubber ve anahtarlama kenarı kontrolü, akım döngüsü alanını küçültme, topraklama ve ekranlama gibi) sayesinde tasarımcı, dönüştürücünün verim–yoğunluk odaklı “fabrika ayarlarını” kendi uygulamasının ihtiyacına göre yeniden dengeler. Sonuç: daha temiz besleme, daha kararlı regülasyon, daha az EMI sürprizi ve sahada daha az “neden bazen reset atıyor?” gizemi.

Bir önceki yazımızda ripple ölçme tekniklerini ayrıntılı bir şekilde vermiştik. Burada ripple azaltma tekniklerini ayrıntılı bir şekilde açıklamaya çalışacağız.

Daha önceki yazımızda ripple ve gürültünün şeklini ve tanımını vermiştik. Burada yine şekilsel olarak paylaşıyoruz.

Şekil 1, çıkış ripple/dalgalanma voltajı

Şekil 2a : Çıkış ripple/dalgalanma voltajı ve Gürültü (Noise)

Şekil 2b : Diğer bir gösterim (Çıkış ripple/dalgalanma voltajı ve Gürültü (Noise))

5. DALGALANMA (RIPPLE) AZALTMA TEKNİKLERİ
Bir DC-DC dönüştürücünün çıkışındaki RIPPLE/DALGALANMA ve gürültünün iki ana kaynağı, dönüştürücü tarafından üretilen anahtarlama gürültüsü ve dönüştürücü kaynağından gelen hat dalgalanmasıdır (çevrimdışı bir kaynaktan besleniyorsa genellikle 120 Hz).

Hat dalgalanması için, bir DC-DC dönüştürücü bir miktar dalgalanma engellemesi sağlar; kalan dalgalanma yükte ortaya çıkar. Genel olarak, regüle edilmiş bir DC-DC dönüştürücünün çıkış dalgalanma spesifikasyonu, dönüştürücüye bağlı olarak 100 mVP-P (Örneğin, 5 V çıkış) ile 240 mVP-P (Örneğin, 24 V çıkış) veya daha fazla arasında değişebilir. Mesela; çıkış voltajının yüzdesi olarak, aralık 5 VOUT dönüştürücü için %2 ve 24 VOUT dönüştürücü için %1 olabilir.).

Düşük ESR (Eşdeğer Seri Direnç) kapasitörlerin eklenmesi dalgalanmayı %50'ye kadar azaltabilir; Önceki örnekler kullanılarak 50 – 120 mVP-P aralığında bir aralık elde edilebilir. Düşük DC dirençli bir indüktörün seri bağlanmasıyla dalgalanmada daha fazla azalma sağlanabilir.

Bir indüktör eklemek, %50 – 60'a kadar ek bir iyileştirme sağlayabilir; bu da dalgalanmayı 5VOUT dönüştürücü için yaklaşık 20 mVP-P'ye, 24VOUT dönüştürücü için ise 50 mVP-P'ye veya daha fazlasına düşürür. İyileştirme önemli olsa da, 28 V RF güç amplifikatörü (P.A.) kullanan bir uygulama, yan bant frekans tepe noktalarını önlemek için dalgalanma seviyelerinin 10 mVP-P veya daha düşük olmasını gerektirebilir.

Girişten yansıyan dalgalanmayı azaltmak için daha fazla iyileştirme, düşük frekanslarda daha iyi zayıflama gerektirir; bu da daha büyük indüktörler ve daha fazla kapasitans kullanımını gerektirir. Yerden tasarruf etmek için, kalan düşük frekanslı gürültüyü azaltmanın daha pratik yolu aktif filtreleme kullanmaktır.

Şekil 3a : Diğer bir gösterim (Çıkış ripple/dalgalanma voltajı ve Gürültü (Noise))

Şekil 3b : Diğer bir gösterim (Çıkış ripple/dalgalanma voltajı ve Gürültü (Noise))

Çıkış filtresi yok: Herhangi bir kapasitör de takılı değil

Şekil 4a : Diğer bir gösterim (Çıkış ripple/dalgalanma voltajı ve Gürültü (Noise))

Şekil, kısa toprak yöntemi kullanılarak çıkışın voltaj dalgalanma dalga biçimini göstermektedir. Ek gürültü bastırma devresi olmadığından. Harici kapasitör olmadığında çıkış voltajı dalgalanmasının ve gürültüsünün tepeden tepeye değerinin yaklaşık 445,9 mV olduğu görülebilir.

Şekil 4b : Diğer bir gösterim (Çıkış ripple/dalgalanma voltajı ve Gürültü (Noise))

Standart Fitreleme : Sadece kapasitör filtresi

Şönt kapasitör eklenmesi, DC-DC dönüştürücünün çıkış dalgalanmasını en aza indirmenin en basit ve genellikle en etkili yoludur (Şekil 5). DC-DC dönüştürücünün çıkışına şönt kapasitör yerleştirme tekniği, diferansiyel mod akımını filtrelemek için pratiktir. Her ek bileşen, voltaj dalgalanmasında yalnızca marjinal iyileştirmeler sağlayacaktır.

Şekil 5: Düşük ESR'li bir kapasitörden oluşan ikinci kademe filtreli DC-DC dönüştürücü.

Sadece kapasitör kullanan bir filtrenin etkilerini en iyi şekilde optimize etmek için mühendisler, iyi bir frekans tepkisine sahip seramik kapasitörler kullanmalıdır. Daha yüksek rezonans noktasına sahip seramik kapasitörler, tantal veya elektrolitik kapasitörlere göre yüksek frekans dalgalanmasını çok daha iyi azaltır.

Basit bir 1 µF kapasitör genellikle çıkış voltajı dalgalanmasını bastırmak için yeterlidir, ancak tasarımcı veri sayfasında belirtilen maksimum kapasitansa kadar çıkabilir. C0G veya NP0 gibi Sınıf 1 kapasitörler, sıcaklık, uygulanan voltaj ve yaşlanmaya karşı en iyi kapasitans kararlılığına sahiptir, ancak Sınıf 2 kapasitörlere göre daha büyük bir boyut dezavantajına sahiptirler.

Sınıf 2 kapasitörler, sıcaklığa daha duyarlı seramik malzemeler kullanır, ancak daha optimum sıcaklık özelliklerine sahip olanlar seçilebilir.

Örneğin, X7 Sınıf 2 kapasitörler -55°C ile 125°C arasında en geniş sıcaklık aralığında çalışırken, Y5V -30°C ile 85°C arasında çalışır.

X7R kapasitörler, en geniş çalışma sıcaklığı aralığını en düşük maksimum kapasitans değişimiyle (+/-15%) sunar; bu da boyut ve kapasitans kararlılığı arasında bir denge sağlar.

Bazı durumlarda, X7S ve X7T Sınıf 2 kapasitörler de kabul edilebilir. Kapasitörler, en sorunlu istenmeyen frekans içeriğini şöntleyecek şekilde boyutlandırılmalıdır.

Genellikle, dalgalanma akımını en aza indirmek için kapasitörün gerçek değerinden ziyade eşdeğer seri direnci (ESR) daha önemli bir parametredir.

Kapasitörler ayrıca DC-DC dönüştürücü çıkışına yakın yerleştirilmeli ve dönüş yolunun düşük empedanslı bir yol olduğundan emin olunmalıdır.

Çıkış kapasitörleri yerleştirilirken dikkate alınması gereken bir diğer önemli husus, DC-DC dönüştürücünün dahili kontrol döngüsünün kararsızlaşma potansiyelidir.

Mühendisler, ürün özelliklerinde belirtilen toplam izin verilen çıkış kapasitansını aşmamalıdır, çünkü bu durum dönüştürücünün geri besleme kontrol döngüsüyle etkileşime girebilir.

Çıkış kapasitörü ile ripple azaltma yöntemi:

Şekil 6'de gösterildiği gibi, dönüştürücünün çıkışına bir kapasitör bağlamak, çıkış voltajı dalgalanmasını azaltmanın basit bir yoludur.

Şekil- 6a: Kapasitör ile ripple azaltma yöntemi

Şekil 6b, harici bir 22 uF MLCC tarafından ölçülen çıkış voltajı dalgalanmasını göstermektedir. Şekilden dalgalanma voltajının 445,9 mV'den yaklaşık 30 mV'ye düştüğü görülüyor.

Şekil-6b : Kapasitör ile ripple azaltma yöntemi

Seramik çıkış kapasitörlerinin miktarını iki katına çıkarmak;

Aşırı düşük gürültü ve dalgalanma gerektirmeyen standart uygulamalar, minimum gerekli seramik çıkış kapasitansı ile yetinebilir. Şekil 7a, çıkışı filtrelemek için yalnızca 2 × 47 μF seramik kapasitör kullanan TPS84259'u göstermektedir.

Bu çalışma koşullarında çıkış dalgalanması yaklaşık 21 mV'dir. Bu minimum çözüm boyutu için çıkış filtrelemesi, her biri 1206 paketinde olmak üzere yalnızca iki seramik kapasitör gerektirir.

Şekil 7a. Standart Filtreleme ile TPS84259 diyagramı

Aşırı düşük gürültü ve dalgalanma gerektirmeyen standart uygulamalar, minimum gerekli seramik çıkış kapasitansı ile yetinebilir. Şekil 7b, çıkışı filtrelemek için yalnızca 2 × 47 μF seramik kapasitör kullanan TPS84259'u göstermektedir.

Şekil-7b : Kapasitör değeri 2 katına çıkarma (2 adet Paralel kapasitör kullanımı) ile ripple azaltma yöntemi

Seramik çıkış kapasitörlerinin miktarını dört katına çıkarmak; çıkış dalgalanma voltajı yaklaşık 12 mV'ye düşürülmüştür. Dezavantajı, ekstra çıkış kapasitörleri eklenmesiyle, çıkış filtre çözümünün boyutu artar.

Şekil-8a : Kapasitör değeri 4 katına çıkarma (4 adet Paralel kapasitör kullanımı) ile ripple azaltma yöntemi

Minimum gerekli çıkış kapasitansıyla elde edilenden biraz daha düşük gürültü ve dalgalanma gerektiren uygulamalar, ek seramik çıkış kapasitansı eklenmesinden fayda görür. Şekil-8a , minimum gerekli seramik çıkış kapasitansının 2 katı ile TPS84259'u göstermektedir. Bu devrenin çıkış dalgalanma dalga formu Şekil-8b' te gösterilmiştir. Seramik çıkış kapasitörlerinin miktarını iki katına çıkararak, çıkış dalgalanma voltajı yaklaşık 12 mV'ye düşürülmüştür.

Ekstra çıkış kapasitörleri eklenmesiyle, çıkış filtre çözümünün boyutu artar.

Şekil-8b : Kapasitör değeri 4 katına çıkarma (4 çıkış kapasitörü kullanmak ESR'yi daha da azaltır: Dalgalanma azalır, ancak yine de 12mV'dir.)

Ultra düşük gürültüye sahip bir LDO ile gürültü azaltma tekniği

Şekil-9a : Ultra düşük gürültüye sahip bir LDO ile gürültü azaltma tekniği

LDO eklenmesi çıkış dalgalanmasını azaltır: Dalgalanma azalması mükemmel, sadece 3mV.

Şekil-9b : Ultra düşük gürültüye sahip bir LDO ile gürültü formu

Çıkışa bir LC filtresi ekleyerek pi tipi filtre oluşturmak: dalgalanma etkisi de çok iyi, sadece 2,9 mV.

Şekil-10a : Ultra düşük gürültüye sahip bir PI filtresi

Son derece düşük gürültü ve dalgalanma gerektiren uygulamalar (5 mV'den az), seramik çıkış kapasitansı ile birlikte ek filtreleme ekleyebilir. Bu uygulamalarda çıktıya bir pi-filtre eklenebilir. Şekil-10a, 2 × 47-μF, X5R seramik çıkış kondansatörleri ile bir pi-filtre ile TPS84259 göstermektedir.

Ek pi-filtre, yüzeye monte ferrit boncuk ve 22-μF, X7R, 1206 paketli seramik kapasitörden oluşur. Ferrit boncuk, 5A' e kadar (Fair-Rite parça numarası 2773021447) derecelendirilen 73 tipli malzeme seçilmiştir.

Bu çıkış filtresi, çıkış dalgalanma dalga formunu yaklaşık 2.9 mV' a indirebilmektedir

Şekil-10b : Ultra düşük gürültüye sahip bir PI filtresi ile gürültü formu

Tablo-1- : Yukarıda verilen 4 farklı yöntem için karşılaştırma tablosu

Sonuç olarak: yukarıdaki tabloda karşılaştırmalı tabloya bakarsak, dalgalanma etkileri görülmektedir. Bu nedenle daha düşük maliyet istiyorsanız, bir LC filtresi eklemeyi düşünebilirsiniz.

Farklı değerlerde kapasitörlerin paralel kullanımı:

Aşağıda farklı kapasitör değerlerinde paralel bağlama durumunda oluşan filtreleme etkisi gösterilmiştir:

Şekil-11 : Farklı değerlerde kapasitörlerin paralel bağlanması durumunda filtreleme

Alçak GeçirenFiltre (Low Pass Fillter) kullanımı:

Yukarıda ferit boncukla yapılan işlemin indüktör ile yapılmasıdır. Alçak geçiren bir filtre, Şekil 9'da gösterildiği gibi dalgalanma voltajını bir kapasitörden daha fazla azaltmak için iyi bir seçim olabilir.

Şekil-12a : Alçak geçiren bir filtre ile ripple azaltılması

L ve C parametrelerini hesaplamak için frekans tepkisini kullanabilir.

f 0 Kesme frekansıdır.

Q, Kalite faktörüdür.

R L Çıkış yüküdür.

Formül (3)'ü formül (2)'ye alın ve formül (4) ve (5)'te gösterildiği gibi sırasıyla L ve C'yi hesaplanabilir.

Q Kalite faktörü, Şekil 10'da gösterildiği gibi, yük empedansı ve aşırı sönümleme, kritik sönümleme ve yetersiz sönümleme olmak üzere üç eğriye bölünebilen LC filtresi ile ilgilidir. İdeal olarak, LC'nin parametreleri olarak kritik sönümün kullanılması. filtre en uygunudur.

Şekil-12b, bir alçak geçiş filtresinin şematik diyagramıdır. Dönüştürücü spesifikasyon tablosundan dönüştürücünün çalışma frekansı 400kHz'dir.

Öncelikle kesme frekansını 40kHz'e ve kalite faktörünü 0,707'ye ayarlayın. Denklem 4 ve 5 aracılığıyla endüktansın 4,69uH ve kapasitansın 3,376uF olduğunu elde edebiliriz.

Son olarak çıkış alçak geçiş filtresi olarak 4,7uH endüktansı ve iki adet 2,2uF MLCC'yi seçin.

Şekil-12c, çıkış voltajı dalgalanmasının bir dalga biçimidir. Filtre öncesi ve sonrası karşılaştırması var. Alçak geçiren filtre, dalgalanma ve gürültü etkili bir şekilde bastırılır.

Şekil-12c LC filtre ve ripple değeri

Endüktansın değeri nasıl etkiler şimdi buna bakalım:

Dalgalanma gerilimi, çıkış gerilimindeki küçük, dalgalanan gerilim bileşenleridir. Bu gerilim dalgalanması anahtarlama frekansıyla senkronize olduğunda dalgalanma gerilimi oluşur.

İdeal olarak, sıfır dalgalanma gerilimi olması en iyisidir. Çünkü dalgalanma gerilimi dalgalanmaları büyükse ve gerilim yük tarafındaki sistemin minimum çalışma geriliminden daha düşük hale gelirse sistemde çalışma sorunları ortaya çıkabilir.

Son yıllarda, DC-DC dönüştürücüler giderek daha büyük akımlarla ve daha düşük gerilimlerle çalışacak şekilde üretilmekte, bu da daha da kararlı bir gerilim beslemesine olan ihtiyacı doğurmaktadır.

Şekil-13 LC filtre ve ripple ın izole olmayan bir DC-DC çevircide kullanımı

Tıpkı verimlilikte yaptığımız gibi, endüktanstaki değişikliklerin dalgalanma gerilimini nasıl etkilediğine bir göz atalım.

Simülatör: LTSPICE
DC-DC dönüştürücü: Anahtarlama modeli
Çalışma frekansı: 4MHz
Giriş voltajı: 3,6V
Çıkış voltajı: 1,8V
Çıkış akımı Iout: 2A
İndüktans: 0,47/1,0/2,2µH

Simüle edilmiş dalgalanma geriliminin değerlendirilmesi;

Şekil-14' ten de görülebileceği gibi, endüktans yüksek olduğunda dalgalanma gerilimi genellikle düşük tutulmaktadır. Endüktans yüksek olduğunda indüktöre verilen dalgalanma akımı azalır. Bunun sonucunda çıkış dalgalanma gerilimi de düşer. Ancak, DC özelliklerinin endüktansı azaltma yeteneğine dikkat etmemiz gerekir.

Zayıf DC özelliklerine sahip parçalar kullanılırsa, endüktans azalır ve dalgalanma gerilimi artar. Bu nedenle, açıkça görülse de, yük akımından daha büyük bir Isat kullanılması gerekir. Bu akım en az %30 fazla olan bir indüktör seçilmelidir.

Şekil-14 : Dalgalanma/Ripple gerilimi ve endüktansa göre değişim

İkinci kademe LC filtresi eklemek için bir ferrit boncuk kullanmak

Daha yaygın bir filtreleme tekniği, Şekil-15' te gösterildiği gibi ikinci kademe LC filtresi eklemek için bir ferrit boncuk kullanmaktır. Ferrit boncuk, birkaç nedenden dolayı ikinci kademe filtrede iyi çalışır.

Ferrit boncuklar, 10 MHz'den düşük frekanslarda yeterince yüksek endüktansa sahip olduklarından, fSW'deki çıkış voltajı dalgalanmasını ve harmoniklerini filtreleyebilirler.

Ferrit boncuğun 100 MHz'den 1 GHz'ye kadar artan empedansı, anahtarlama düğümündeki yükselen ve alçalan kenarlardan yüksek frekanslı anahtarlama gürültüsünün filtrelenmesini sağlar.

Ferrit boncuklar, 0603 paket gibi küçük boyutlu standart paketlerde bulunur ve yüksek akımlı ferrit boncuklar, güç kaybını en aza indirmek için düşük DCR'ye sahiptir.

Ayrıca nispeten düşük maliyetlidirler, bu nedenle tasarımcılar bunları filtreleme sağlamak için sistemlerde sıklıkla kullanırlar. Güç filtrelemesi için bir ferrit boncuk seçerken, sağlanan endüktansı ve filtrelemeyi azaltabilen endüktans doygunluğuna dikkat edin.

Doygunluk etkisini en aza indirmek için, yük akımının iki katı değerinde bir ferrit boncuk seçin. Güç rayı birden fazla yüke gidiyorsa, her yükten önce bir tane olmak üzere birden fazla ferrit boncuk kullanabilirsiniz.

Şekil-15 2 katmanlı LC filtre kullanımı

RC alçak geçiren filtre

Temel dalgalanma çeşitli tekniklerle azaltılabilir. Bir yaklaşım, basit ancak belirli dezavantajları olan bir RC filtresinin kullanılmasıdır.Şekil-16

Dalgalanmayı etkili bir şekilde azaltan yeterince düşük 3 dB'lik bir kesme frekansı elde etmek için büyük bir kapasitör © ve küçük bir direnç (R) gereklidir. Ancak, bu konfigürasyon seri direnç nedeniyle önemli bir güç kaybına yol açabilir ve bu da onu birçok uygulama için daha az verimli hale getirir. Bununla birlikte, besleme akımının nispeten düşük olduğu senaryolarda yine de kabul edilebilir olabilir.

Düşüş oranı 20 dB ile sınırlı olsa da, bu yöntemin temel avantajlarından biri herhangi bir manyetik bileşen gerektirmemesidir.

Şekil-16 RC filtre kullanımı

Gürültüye Duyarlı Uygulamalar İçin Filtreleme

Bazı uygulamalarda, DC/DC dönüştürücünün kendi başına sağlayabileceğinden daha iyi dalgalanma performansı gereklidir. Bu durumlarda, dönüştürücünün çıkışına harici bir PI Filtresi eklenmesi önerilir.

Aşağıdaki açıklama, basit bir LC filtresi tasarlamak için bir kılavuz niteliğindedir. Bileşen maliyeti gibi diğer hususlar da değerlendirilmelidir. Şekil-17, bir PI LC filtresini göstermektedir.

İlk adım, dönüştürücünün maksimum çıkış akımının iki katı akım değerine sahip bir indüktör seçmektir. Büyük bir indüktör değeri, büyük bir kapasitör değeri gerektirecek ve filtrenin tepkisi yavaşlayacaktır; bu nedenle, tipik değeri 1 μH olan küçük bir indüktör değeri seçilmesi önerilir.

Minimum kapasitör değeri için aşağıdaki denklemi kullanın:

(Vmax dalgalanma/Vdönüştürücü dalgalanma) = XC/(XC + XL), burada XC = 1/(2πfC), XL = 2πfL,

f = dönüştürücünün anahtarlama frekansı,
C = kapasitans,
L = indüktans

Şekil-17 : Gürültüye Duyarlı Uygulamalar İçin Filtreleme

Diferansiyel mod Pİ filtre

Dönüştürücünün çıkış dalgalanmasını en aza indirmek için bir diğer seçenek, çıkışa ek bir LC filtresi kullanmaktır(Şekil-18). Bu, çıkış dalgalanmasını azaltmada daha etkili olan ikinci dereceden bir alçak geçiren filtre görevi görür. Bununla birlikte, dahili kontrol döngüsünün kararsızlaşmasından kaynaklanan arızaları önlemek için bu LC filtresinin köşe frekansı ciddi bir husustur. Köşe frekansının çok düşük olmaması çok önemlidir.

Genel bir kural olarak, kontrol döngüsüyle etkileşimi önlemek için köşe frekansının 10 kHz'den büyük olduğundan emin olunmalıdır.

İndüktör ayrıca yük akımını kaldırabilecek kapasitede olmalı ve DC direnci (DCR) yük akımının üzerinde önemli bir voltaj oluşturmaması için yeterince düşük olmalıdır.

Şekil-18: DC-DC dönüştürücünün çıkışına bir LC filtresi eklemek, hem düşük frekanslı hem de yüksek frekanslı çıkış dalgalanmasını daha da bastırabilir. Kaynak: VPT, Inc.

Dönüştürücünün içinde bazı anahtarlama bileşenleri olduğundan anahtarlama gürültüsü üretecektir. Bu sesler çıkış tarafına da iletilebilir. Ve ortak mod kısma filtresi, Şekil 11'de gösterildiği gibi bu tür gürültüyü sınırlayabilir.

Ortak mod kısma filtresi genellikle EMI filtresi olarak kullanılır. Ancak ortak mod filtresinin içinde hala kaçak endüktans mevcuttur.

Kaçak endüktans, diferansiyel modlu bir indüktör görevi görür ve LC oran filtresine benzer. Dolayısıyla, ortak modlu filtre indüktörünün dalgalanma voltajının bastırılması üzerinde hala bir etkisi olabilir.

Ortak Mod (Common Mode) Şok Filtresi (Pi filtre konfigürasyonunda ortak mod bobini ve kapasitör)

En iyi dalgalanma giderme için, Pi filtre konfigürasyonunda ortak mod bobini ve iki kapasitör en ideal seçenektir (Şekil-19).

Ortak mod bobinleri, genellikle toroidal bir çekirdek etrafına sarılmış, aynı boyutta ve sarım sayısında iki bağımsız bobinden oluşur. Bu, diferansiyel sinyalin geçmesine izin verirken ortak mod gürültüsünü azaltır.

Ortak mod bobini ve kapasitörlerin kaçak endüktansı, diferansiyel mod filtresi oluşturacaktır. Filtrenin kontrol döngüsüyle etkileşime girmemesini sağlamak için bu köşe frekansının 10 kHz'den büyük olması gerekir.

Bir dönüştürücüdeki herhangi bir ikincil aşama filtrelemesinde olduğu gibi, gürültü azaltma miktarı, DC-DC dönüştürücünün sürdüğü yüke bağlıdır.

Hem LC hem de ortak mod filtreleme, yük empedansı arttıkça yüksek frekanslı bileşenleri bastırmada daha az etkilidir. Bu, değişken yük empedansına sahip sistemler için ciddi bir husustur ve belirli bir uygulamanın gerektirdiği bileşen değerlerini belirleyecektir.

Şekil-19: Çıkışına ortak mod bobini ve iki kapasitör (Pi-Filtre) bağlı DC-DC dönüştürücü. Kaynak: VPT, Inc.

Şekil-20, çıkış filtresi olarak ortak mod bobininin şematik diyagramıdır.

Bu deneyde demir çekirdek olarak A151, T16x12x8C Mn-Zn ferrit çekirdek kullanılmıştır. Sargı sayısı 10'dur. Ana endüktans 0,35mH ve kaçak endüktans 3,18uH'dir. C1 ve C2, 0,22 uF MLCC'dir.

Şekil-21 ortak mod filtresinin şematik diyagramıdır. Kaçak endüktansın, iki alçak geçişli filtreyle aynı olan diferansiyel mod endüktansı olarak kullanıldığı görülebilir, bu nedenle çıkış voltajı dalgalanma bastırma etkisi, tek alçak geçişli filtreden daha iyi olmalıdır.

Şekil-22 ölçüm dalga biçimidir. Dalgalanma voltajının tek alçak geçiren filtreden daha düşük olduğu doğrudur ancak dezavantajı daha fazla yerleşim alanı kaplamasıdır.

Şekil-21 Ortak mod filtre ve diferansiyel filtre etkisi

Şekil-22 Ortak mod filtre ve noise/ripple.

T filter (Feedthrough capacitor)

Şekil-23 Feedthrough kapasitör

Şekil-24 Ultra düşük gürültülü LDO'lu TPS84259'un çıkışında T filter kullanımı

Şekil-25 Feedthrough kapasitör ile standart seramik kapasitörün empedansı

Kapasite Çarpanı

Şekil-26 kapasitans çarpan devresini göstermektedir ve transistör ve R, C ile çıkış dalgalanmasını azaltabilir. Çıkış tarafında, çıkış tarafında büyük bir kapasitans eklemeye benzer şekilde C1'i yükseltme etkisine sahiptir. Dalgalanma gerilimini azaltma ve boyut sınırı uygulamasına sahip olma ihtiyacına uygundur.

Şekil-26 Kapasitans çarpanı ile ripple ı azaltma yöntemi

Şekil-27a’da görüldüğü gibi devredeki RC alçak geçiren filtredir. Gerilim dalgalanmasını bastırmak istiyorsanız C1'in kapasitansı çok büyük olmalıdır.

Buna Şekil-27b' de gösterildiği gibi bir transistör eklenirse, C1'in çıkışa sağladığı akım yaklaşık β kat azalır. Başka bir deyişle, C1'in kapasitansı çıkışa göre yaklaşık β katı kadar arttırılır.

Kapasitans çarpan devresinin dezavantajları da vardır, çünkü transistörün Vce voltajı çıkış akımıyla birlikte değişecektir, bu da çıkış tarafında belirli bir voltaj düşüşüne neden olacaktır, aralık 0,65V ile 3V arasında olabilir. Bu nedenle, bu, OP amplifikatörü veya DAC güç kaynağı gibi küçük akım uygulamaları için uygundur ve voltaj doğruluğu yüksek değildir.

Şekil-27 RC ve kapasitans çarpanıyla tasarlanmış alçak geçiren bir filtre örneği

Şekil-28' de bu deneyin şematik diyagramı gösterilmektedir, parametreler aşağıdaki gibidir.

Q1, 2SCR552PT100'dür, ROHM'nin bir transistörüdür.

R1 : 1kΩ'dur.

C1: 4,7 uF' dir.

Kapasitans çarpanı düşük güç veya sinyal seviyesi için uygun olduğundan. Gerilim düşüşüne neden olacağından yüksek akım uygulamalarına uygun değildir. Yani bu deneyin çıkış akımı 0,2A ile sınırlıdır.

Şekil-29 test dalga biçimidir. Filtre öncesi ve sonrası arasındaki farkı görebilir. Bastırmadan önceki dalgalanma yaklaşık 97mV' dir ve bastırmadan sonraki dalgalanma 12,8 mV'dir, bu da voltaj dalgalanmasını azaltabilir. Dezavantajı ise yalnızca sinyal seviyesinde, daha yüksek çıkış gücü anında kullanılabilmesidir.

Şekil-28 DC-DC modüller veya çeviricilerin çıkışında kapasitans çarpanı devre şeması

Şekil-29 Kapasitans çarpanı devresi kullanıldığında DC-DC çeviricinin çıkışındaki ripple voltajı

Çıkış Ripple azaltmak için birkaç farklı filtre örneği - 1

Aşağıda gösterilen devre, DC-DC çeviricilerde yaygın olarak bulunan Vout( tepe-tepe) çıkış voltajı dalgalanmasını birkaç mV (tepe-tepe) ye düşürebilir.

Filtre, yüksek frekanslı gürültüyü C1 kondansatörü üzerinden GND' ye yönlendirerek ve temel dalgalanmayı ortadan kaldırmak için düşük maliyetli bir LC filtresi kullanarak çalışır. L1 ve L2 ferit boncuktur (Ferrite bead). En iyi filtreleme performansı için, C2, tantal kondansatör gibi düşük ESR'li bir kondansatör olmalıdır.

Şekil-30 Ferit boncuk ve kapasitör kullanılarak filtreleme

Çıkış Ripple azaltmak için birkaç farklı filtre örneği - 2

Şekil-31 İndüktör ve kapasitör kullanılarak filtreleme

C1 : 3.3nF seramik kapasitör

C3 : 47uF Low ESR elektrolitik kapasitör

L1,L2 : 47uH Düşük kapasitanslı toroid indüktör

Çıkış Ripple azaltmak için birkaç farklı filtre örneği - 3

Şekil-32 Ortak mod şok bobin ve kapasitör kullanılarak filtreleme

C1 : 3.3nF - 10nF / (1500VDC- 4kVDC) seramik kapasitör

C2 : 33uF (2 Adet paralel) Low ESR elektrolitik kapasitör

TR1 : 5uH toroid indüktör

Feedback tarafında RC network ü kullanımı

Şekil-33 Düşük Ripple lı Çıkış Konfigürasyonu

Bu regülatör, çıkış voltajını geri besleme girişindeki dalgalanma voltajına göre düzenler ve çıkış kapasitörü (COUT) için minimum ESR gerektirir. LM5017 için geri besleme pininde (FB) minimum 25 mV dalgalanma voltajı gereklidir. Kapasitör ESR'si çok küçük olduğunda, ek seri direnç (yaklaşık 0R1) gerekebilir (Şekil 10'daki RC).

Daha düşük çıkış voltajı dalgalanmasının gerekli olduğu uygulamalar için, çıkış, Şekil-33' te gösterildiği gibi, düşük ESR'li bir çıkış kapasitöründen doğrudan alınabilir. Bununla birlikte, RC yük regülasyonunu biraz düşürür.

Tablo-2, geri besleme düğümünde uygun voltaj dalgalanması oluşturmak için üç farklı yöntemi göstermektedir;

Tip 1 ve Tip 2 dalgalanma devreleri, dönüştürücünün çıkışındaki dalgalanmayı geri besleme düğümüne (FB:Feedback) bağlar.
Tip 3 dalgalanma yöntemi, üçgen bir rampa oluşturmak için Rr ve Cr dirençlerini ve anahtarlama düğümü (SW) voltajını kullanır. Bu üçgen rampa, Cac kullanılarak geri besleme düğümüne (FB) AC kuplajlanır. Bu devre çıkış voltajı dalgalanmasını kullanmadığı için, düşük çıkış voltajı dalgalanmasının gerekli olduğu uygulamalar için idealdir.

Çıkış gerilimi dalgalanmasının iki bileşeni vardır:

1. İndüktör akımının dalgalanmasının çıkış kapasitörünü şarj/deşarj etmesinden kaynaklanan kapasitif dalgalanma.

2. İndüktör akımının dalgalanmasının çıkış kapasitörünün ESR'sinden geçmesinden kaynaklanan dirençli dalgalanma.

Tablo-2 Ripple konfigürasyonu

Küçük ESR li seramik çıkış kapasitörleri kullanımında ripple azaltma

Şekil-34: Harici bileşenlerle PWM modunda basitleştirilmiş devre (Kaynak: MPS:(Monolitik Power System))

Çıkış kapasitörü olarak küçük bir ESR kapasitör seçmek, Şekil 10'da gösterildiği gibi R4 ve C4 kullanarak FB üzerinde bir rampa oluşturmak için harici bir RC kompanzatörü gerektirir.

R9, yüksek frekanslı gürültüyü filtrelemek için gürültü filtresi direnci görevi görür - genellikle 0Ω-1kΩ civarında ayarlanır. FB rampasının R9'dan önemli ölçüde etkilenmemesini sağlamak için, R9'u R1//R2'den çok daha küçük seçin. Böylece C4 ve R4 ayrı ayrı seçilebilir. C4 seçildikten sonra, daha iyi kararlılık ve daha küçük titreşim için R4'ü mevcut aralığının daha küçük ucundan veya daha iyi geçici, düşük yük performansı ve yük ve hat regülasyonu için daha büyük bir R4 seçin.

R4 ve C4 seçim aralığı küçük veya hatta negatif ise, aralığı iyileştirmek için aşağıdaki değişiklikleri yapın:

1) L veya Cout' u artırın
2) fsw' yi artırın
3) Ultra hafif yük koşulu düşüşü için gerçek yük regülasyonu yetersizse R1 ve R2'yi azaltın

TASARIM ÖRNEĞİ

Tipik giriş voltajı: VIN = 12V
Maksimum giriş voltajı: VIN_MAX = 19V
Minimum giriş voltajı: VIN_MIN = 9V
Çıkış voltajı: VOUT = 5V
Maksimum çıkış akımı: IOUT = 6A
Çıkış Kondansatörleri: COUT = 22μF × 3 / Seramik
Endüktans: L = 4,7μH
Anahtarlama frekansı: fSW = 500kHz
Duty (Görev döngüsü): DMAX = 0,556 @ VIN = 9V, DMIN = 0,263 @ VIN = 19V
Referans voltajı: VREF = 0,815V

1) R1, R2 ve R9'un Seçimi Bu uygulama notu yalnızca rampa parametrelerinin seçimine odaklandığı için, geri besleme direnci tasarımı ve VOUT seçimi için ilgili veri sayfalarına bakın.

Başlangıç hesaplamaları genellikle mutlak geri besleme direnci hesaplamaları sağlayamaz, ancak VOUT ve VREF tarafından belirlenen oran, R1=51,3kΩ, R2=10kΩ ve R9=0,5kΩ varsayımıyla harici rampa kompanzasyon direnci R4 ve C4'ü tasarlamak için yeterlidir.

2) Kararlılık Gereksinimine Dayalı RC Kısıtlamalarının Belirlenmesi Önceki duruma göre, VIN 9V-19V aralığındadır, dolayısıyla maksimum görev döngüsü (DMAX) VIN=9V'de meydana gelir (Aşağıdaki denkleme göre). R4 ve ·C4'ün sağlanması için Q=0.7 olarak ayarlayın:

3) Yük regülasyonu Gereksinimine Dayalı RC Kısıtlaması; aşağıdaki Denklemden, minimum değer en kısa görev döngüsü(duty) sırasında meydana gelir. Bu nedenle R4·C4 maksimum giriş voltajında aşağıdaki gereksinimleri karşılamalıdır.

4) Giriş Hattı regülasyon Gereksinimine Dayalı RC Kısıtlaması R4 ve C4, maksimum giriş hattı regülasyonuyla kısıtlanmıştır. Aşağıdaki Denkleme göre, R4 ve C4 şunları sağlamalıdır:

5) Aşağıdaki denklemde Minimum C4 Değerinin Belirlenmesi sağlanır:

6) 2) - 5) adımlarındaki gereksinimlerle birlikte,

C4=220pF ise R4=739kΩ -1.22MΩ
C4=330pF ise R4=492kΩ - 816kΩ
Yük ve hat regülasyonu gereksinimleri karşılanıyorsa, aralık içindeki daha küçük bir R4 değeri seçin.

7) R4 ve C4 seçildikten sonra, ilgili veri sayfalarına göre(Vref voltajına göre bakılır ilgili formül kullanılır) R1 ve R2 değerlerini iyileştirin. Aşağıdaki değerler için tipik değerler seçin:

VIN=12V, R4=492kΩ, C4=330pF, R2=10kΩ, R9=0.5kΩ

Dekuplaj network leriyle ripple sönümlenmesi için çeşitli yöntemler

Sönümleme(Damping):
Daha deneyimli olanlarımız, bu Cennet Bahçesi'nde yılanlar olduğunu fark edebilir. Bu baypas kapasitörlerini kaçak endüktansa eklediğimizde, güç kaynağı yetersiz sönümlü bir rezonans devresi haline gelir. Bu, beslemelerde salınım ve gürültü tepe noktalarına yol açar ve bu da çıkışa yansıyabilir. Çoğu zaman, bu sorun LC dekuplaj ağlarının kullanımıyla ciddi şekilde kötüleşir.

Örneğin, Şekil 7'de gösterilen dekuplaj ağını ele alalım;

20 mA'lık bir adım uygulandığında, ortaya çıkan salınımın tepe genliği 500 mV'nin üzerinde ve sönümleme için zaman sabiti 40 μS'nin üzerindedir. Geçici tepki genliğini en aza indirmek ve sönümleme sağlamak için baypas ve dekuplaj ağlarının tasarımında dikkatli olunmalıdır. Geçici tepki kabaca şu şekilde tahmin edilebilir:

Burada Paralel RLC için;

ve RCL serisi için;

ŞEKİL-35 Bir dekuplaj ağı ve 20 mA'lik bir akım kademesine verdiği ölçülen tepki

ŞEKİL-36 Bir dekuplaj ağı ve 20 mA'lik bir akım kademesine verdiği ölçülen tepki

ŞEKİL-37' de kritik sönümleme için gereken direnç değeriyle birlikte, dekuplaj ağlarını sönümlemek için çeşitli yöntemler.

ve sönümleme sağlamak için çeşitli teknikler vardır.

Yüksek frekanslarda en iyi izolasyonu ve en düşük çıkış empedansını sağlayan sönümleme yöntemi A yöntemidir. Ne yazık ki, yüksek DC seri direnci nedeniyle çıkış voltajını ve besleme regülasyonunu azaltır.

B ve D yöntemleri genellikle kabul edilemez.

Bu, düşük DC çıkış direnci gerektiğinde tercih edilen sönümleme yöntemi olarak C'yi bırakır. C'nin sorunu, yüksek frekanslı çıkış empedansıdır. Bypass kapasitörüne seri direnç eklenmesiyle, yüke verilen geçici tepkinin genliği ve yüksek frekans bileşenleri artar.

Kritik olarak sönümlenmiş tepkinin genliği, sönümlenmemiş tepkinin iki katıdır. Bileşenlerdeki dirençli parazitler yeterli sönümleme sağlamadığında, sönümlemenin avantajlarının dezavantajlarından daha ağır basıp basmadığına dikkatlice bakılmalıdır.

Her bypass kapasitörü için sönümleme sağlamak gerekli değildir; Bunun yerine, her bir devre kartına tek bir büyük kapasitör eklenmeli ve bu kapasitör için sönümleme sağlanmalıdır. Bu, Şekil 9'da gösterilmiştir. Tek büyük kapasitör, sönümleme direnci hesaplamasında tamamen baskın olabilmesi için, beslemeye bağlı tüm yüksek hızlı bypass kapasitanslarının toplamından en az 16 kat daha büyük olmalıdır. Kapasitör büyük ve indüktör küçükse, çoğu zaman kapasitörün eşdeğer seri direnci (ESR) ağı sönümlemek için yeterince büyük olacaktır. Bu yaklaşımla, aslında D yöntemine geçtik, ancak aşırı güç dağılımı sorununu önlemek için sönümleme direncine seri olarak büyük bir DC bloke edici kapasitör ekledik.

L, Rdamp ve Cdamp'tan oluşan seri RCL ağı ve L, Rdamp ve Cbyp'den oluşan paralel RCL ağının her ikisinin de uygun şekilde sönümlenmesi gereklidir.

ŞEKİL-37 Bir dekuplaj ağına sönümleme sağlamak için tercih edilen yaklaşım.

Cdamp > 16Cbyp şartı, yukarıdaki2 formülü sağlayan bir Rdamp değerinin var olmasını sağlar.

Cdamp ve Cbyp arasındaki oranın daha büyük seçilmesi, her iki eşitsizliği de sağlayan bir direnç değerleri aralığıyla sonuçlanır. Bu, başka bir neden olmasa bile, Rdamp değerinin yalnızca sonlu bir tolerans dahilinde belirtilebilmesi nedeniyle değerlidir.

Ek olarak, Cdamp yeterince büyük seçilirse, ESR'si muhtemelen her iki formülü sağlayacaktır. Bu da Rdamp'ı uygulamak için ek bir ayrık direnç ekleme ihtiyacını ortadan kaldırır.

DC-DC dönüştürücülerin çıkış dalgalanma(ripple) geriliminin hesaplanması:

Dalgalanma Gerilimi : Tüm dalgalanma akımı ΔIL' nin çıkış kapasitöründen geçtiğini varsayarsak, dalgalanma gerilimi ΔVo aşağıdaki gibidir.

Şekil-38 Sönümleme RC devresi için diğer bir hesaplama yöntemi

Vrp : Çıkış Kapasitöründe oluşan dalgalanma gerilimi [V]
Vesr : Çıkış Kapasitörünün ESR' sinde oluşan dalgalanma gerilimi [V]

Kapasitörün ESR' sinde Oluşan Ripple Gerilimi
Kapasitörün ESR' sinde oluşan Vesr gerilimi aşağıdaki gibidir.

ESR'den kaynaklanan ripple voltajını bastırmak için, düşük ESR' ye sahip bir seramik kondansatör paralel bağlanarak Resr azaltılabilir; bu da ripple ı bastırmada etkilidir.

Endüktif yük kullanımında DCDC giriş ve çıkışında oluşan ripple

Şekil-39, bir DCDC çıkışına bağlı 12 V'luk bir fanın ürettiği dalgalanma(ripple) akımını ve sistemin test kurulumunu göstermektedir.

DCDC, fanın oluşturduğu düşük frekanslı gürültüyü (~680 Hz) doğru bir şekilde yeniden üretir ve dönüştürücünün giriş tarafına aktarır. Bunun engellemenin yolu çıkışa filtre eklemektir.

Şekil-40, bir DCDC çıkışına bağlı 12V, POL(Point of Load) veya LDO veya Fİltre modülünü) ve sistemin test kurulumu tarafından üretilen dalgalanma akımını göstermektedir.

Burada, DC-DC modül, POL tarafından oluşturulan yüksek frekanslı gürültüyü (~örneğin 250kHz) yeniden üretmektedir.

Yansıyan akım dalgalanması, DCDC'nin giriş tarafında ve devre empedansları tarafından daha da azaltılmaktadır.

Şekil-39 ve Şekil-40, DCDC'nin geniş bant genişliği sayesinde çıkış yük akımı dalgalanmasını girişe doğru bir şekilde aktarma yeteneğini göstermektedir.

DCDC çıkışından ADC' ye giden yolda oluşan ripple ı azaltma

Şekil-41. Bir DC/DC dönüştürücü, düşük gürültülü bir LDO'ya göre üç ila on kat daha fazla düşük frekanslı gürültü üretir.

Şekil-42 . Lineer regülatörle ripple bastırma

DCDC çıkışından gürültüye duyarlı bir devreye giden yolda oluşan ripple ı azaltma

Şekil-43: DC/DC dönüştürücüler, L ve ferrit boncuk filtreleri kullanan tipik düşük gürültülü mimari.

Şekil-44: Düşük gürültülü buck dönüştürücü kullanımı (LDO yok)

Şekil-45: Çıkış gerilimi dalgalanması (a) ferrit boncuk filtresi kullanılmadan önce; Çıkış gerilimi dalgalanması (b) ferrit boncuk filtresi kullanıldıktan sonra

6. DİĞER YÖNTEMLER

Düşük frekanslı dalgalanmaları bastırmak için yaygın olarak kullanılan birkaç yöntem:

Düşük frekanslı dalgalanma, çıkış devresinin filtre kondansatörünün kapasitesiyle ilgilidir. Kondansatörün kapasitesi sınırsız olarak artırılamaz, bu da çıkışta düşük frekanslı dalgalanmanın kalmasına neden olur.

AC dalgalanması DC/DC dönüştürücü tarafından zayıflatıldıktan sonra, anahtarlamalı güç kaynağının çıkış ucunda düşük frekanslı gürültü olarak ortaya çıkar ve boyutu DC/DC dönüştürücünün dönüşüm oranı ve kontrol sisteminin kazancı tarafından belirlenir.

Akım modlu kontrol DC/DC dönüştürücünün dalgalanma reddi, voltaj moduna kıyasla biraz daha iyidir. Ancak çıkışındaki düşük frekanslı AC dalgalanması hala nispeten büyüktür.

Anahtarlamalı güç kaynağının düşük dalgalanmalı çıkışını gerçekleştirmek için, düşük frekanslı güç kaynağı dalgalanması için filtreleme önlemleri alınması gerekir.

Bu, ön kademe ön stabilizasyonu kullanılarak ve DC/DC dönüştürücünün kapalı döngü kazancı artırılarak ortadan kaldırılabilir.

Çıkış düşük frekans filtresinin endüktans ve kapasitans parametrelerini artırarak düşük frekans dalgalanmasını istenen gösterge değerine düşürün.
Düşük frekanslı dalgalanma bileşenlerini azaltmak için ileri beslemeli kontrol yöntemini benimseyin.

Yüksek frekanslı dalgalanma bastırma için yaygın olarak kullanılan yöntemler şunlardır:

Yüksek frekanslı dalgalanma gürültüsü, yüksek frekanslı güç anahtarlamalı dönüştürme devresinden kaynaklanır. Devrede, güç cihazı giriş DC voltajı üzerinde yüksek frekanslı anahtarlamalı dönüştürme işlemi gerçekleştirip ardından doğrultma ve filtreleme yaparak kararlı voltaj çıkışı elde ediyorsa, çıkış terminali anahtarlama frekansıyla aynı frekansta yüksek frekanslı dalgalanma içerir ve bunun dış devre üzerindeki etkisi esas olarak anahtarlamalı güç kaynağının dönüştürme frekansına ve çıkış filtresinin yapısına ve parametrelerine bağlıdır.

Tasarımda, yüksek frekanslı anahtarlamalı dalgalanma için filtreleme gereksinimlerini azaltmak amacıyla güç dönüştürücünün çalışma frekansı mümkün olduğunca artırılmalıdır.

Anahtarlamalı güç kaynağının çalışma frekansını artırarak yüksek frekanslı dalgalanmanın frekansını artırmak, yüksek çıkış frekanslı dalgalanmayı bastırmaya yardımcı olur.
Çıkış yüksek frekans filtresinin artırılması, çıkış yüksek frekans dalgalanmasını bastırabilir.
Çok aşamalı filtreleme kullanın.

Ortak mod dalgalanmasının bastırılması

Anahtarlamalı güç kaynakları, ortak mod dalgalanma gürültüsüne eğilimlidir. Güç cihazı ile soğutucu taban plakası arasındaki kablodaki parazitik kapasitans ve endüktans ile transformatörün primer ve sekonder tarafları, güç cihazına etki ettiğinde anahtarlamalı güç kaynağının dikdörtgen dalga gerilimiyle etkileşime girer.

Ortak modda dalgalanma gürültüsü oluşturur. Ortak mod dalgalanma gürültüsünü bastırmanın yolları şunlardır:

Kontrol güç cihazı, transformatör ve şasi topraklaması arasındaki parazitik kapasitansı azaltmak için çıkış ucuna ortak mod bastırma endüktansı ve kapasitansı ekleyin;
Ortak mod dalgalanma girişimini etkili bir şekilde bastırmak için EMI filtreleri kullanın;
Anahtarlama arızalarının genliğini azaltın.

Kapalı döngü kontrol döngüsü dalgalanmasının bastırılması

Kapalı devre kontrol döngüsündeki dalgalanma genellikle döngüdeki yanlış parametre ayarlarından kaynaklanır. Geri besleme ağı, çıkış ucunda belirli bir dalgalanma olduğunda, çıkış ucundaki dalgalanan voltajı regülatör döngüsüne iletir ve bu da regülatörün kendiliğinden uyarılmış bir tepki oluşturmasına neden olur. Ek dalgalanma üretilmelidir.

Regülatörün kendiliğinden uyarımlı tepkisinin bastırılması, uygun döngü yükseltme seçimi, regülatör kararlılığı ve güç kaynağı çıkış ucunda LDO filtreleme, gürültüyü ve dalgalanmayı azaltmanın en etkili yöntemidir.

Ultra yüksek frekanslı rezonans gürültüsünün bastırılması

Esas olarak yüksek frekanslı doğrultucu diyotların ters yönde toparlanması sırasında diyot bağlantı kapasitansının, güç cihazı bağlantı kapasitansının ve güç cihazları anahtarlanırken hat parazitik endüktansının rezonansından kaynaklanır ve frekans genellikle 1-10 MHz'dir. Ultra yüksek frekanslı rezonans gürültüsü, yumuşak toparlanma özelliklerine sahip diyotlar seçilerek, küçük bağlantı kapasitansına sahip anahtarlama tüpleri kullanılarak ve kablo uzunluğu azaltılarak azaltılabilir.

Anahtarlamalı güç kaynakları, çıkış voltajının kapalı döngü kontrolünü gerektirir ve regülatör parametrelerinin yanlış tasarımı da dalgalanmalara neden olur. Çıkış dalgalandığında, geri besleme ağı üzerinden regülatör döngüsüne girer ve bu da regülatörün kendiliğinden salınımına neden olarak ek dalgalanmaya yol açabilir. Bu dalgalanma voltajının genellikle sabit bir frekansı yoktur. Anahtarlamalı DC güç kaynaklarında, çıkış dalgalanmasının artması genellikle regülatör parametrelerinin yanlış seçilmesinden kaynaklanır.

Bu dalgalanmanın bu kısmı aşağıdaki yöntemlerle bastırılabilir:

Regülatörün çıkışına toprağa bir dengeleme ağı ekleyin; bu sayede regülatörün kendi kendine uyarılmasından kaynaklanan dalgalanma artışı bastırılabilir.
Kapalı devre regülatörünün açık devre büyütmesini ve parametrelerini makul bir şekilde seçin. Açık devre büyütmesi çok büyük olursa, bazen regülatörün salınım yapmasına veya kendiliğinden uyarılmasına neden olur ve bu da çıkış dalgalanma içeriğini artırır. Çok küçük açık devre büyütmesi ise çıkış voltajı kararlılığının azalmasına ve dalgalanma içeriğinin artmasına yol açar. Bu nedenle, regülatörün açık devre büyütmesi ve kapalı devre regülatörünün parametreleri makul bir şekilde seçilmeli ve hata ayıklama sırasında yük koşullarına göre ayarlanmalıdır.
Geri besleme kanalına saf gecikme filtreleme bağlantısı eklenmemiştir. Kapalı döngü ayarlamasının hızını ve zamanlamasını artırmak için gecikme en aza indirilmiştir; bu da çıkış voltajı dalgalanmasını bastırmaya yardımcı olur.

7. SONUÇ

Sistem gürültüsünü ve dalgalanmasını azaltan özellikleri entegre ederek, düşük gürültülü buck dönüştürücüler, mühendislerin LDO kullanmayan düşük gürültülü güç çözümleri elde etmelerine yardımcı olur. Elbette, farklı uygulamalar farklı gürültü seviyeleri gerektirir ve farklı çıkış voltajları farklı performans gerektirir. Bu nedenle, tasarımınız için doğru düşük gürültülü mimariyi seçmeniz gerekir.

"Askeri ve Sivil Projelerde DC-DC Çevirici Devrelerinde Ripple ve Gürültü Ölçüm Teknikleri" isimli yazımıza bu linke tıklayarak ulaşabilirsiniz...

Düşük gürültülü ATAQ DC-DC brick modüllerimizi kullanmak için tıklayınız.

TEKNİK DOKÜMANLAR

İletişime Geçin